Nano Energy: 基于磁性微針陣列的柔性摩擦-電磁復合發電機應用于人體運動監測

【引言】

過去十年中，可穿戴電子產品有效地提高了人類與環境互動的能力，因而受到研究者的廣泛關注。人體在日常活動中可以產生相當客觀的生物機械能，可以為可穿戴的傳感器進行能量供應。將機械能轉換成電能的四種主要機制包括靜電、壓電、電磁電和摩擦電，其中摩擦發電機（TEG）和電磁發電機（EMG）是兩種最有效的方法，在能量收集和自驅動傳感方面都有廣泛的應用。TEG適用于低頻率的工作環境，對機械外力的幅值有良好的響應，適合檢測機械力的強度；而EMG更適用于高頻率的環境，對機械外力的頻率有更好的響應，適合檢測機械力的速度。因此，將TEG和EMG集成為摩擦-電磁復合發電機（TEHG）來實現二者的優勢互補是一個重要的研究方向。TEHG具有寬頻帶工作范圍和高靈敏度特性，并且同時具有較高的輸出功率密度，在自供電傳感方面具有許多獨特的優點。

目前，研究者們已經開發出了多種結構的TEHGs，如懸浮結構的TEHG、旋轉盤結構的TEHG、旋轉套筒結構的TEHG、水輪結構的TEHG、管狀結構的TEHG、基于鐵磁流體的TEHG、基于鐵磁性納米顆粒的TEHG等。然而，大多數TEHGs質量過大（>1kg）或結構復雜，難以方便地應用于柔性傳感器和可穿戴電子設備。因此，開發出全柔性、體積小、質量輕，適用于可穿戴電子器件的新型TEHG仍然具有挑戰性。

【研究簡介】

近日，中山大學生物醫學工程學院蔣樂倫副教授團隊與香港中文大學汪正平院士團隊合作開發了一種基于磁性微針陣列的柔性摩擦-電磁復合發電機可用于人體運動監測。研究成果發表在Nano Energy上，題目為“A Magnetized Microneedle-Array Based Flexible Triboelectric-Electromagnetic Hybrid Generator for Human Motion Monitoring”。其中中山大學生物醫學工程學院的李媛媛碩士和陳志鵬博士后為共同第一作者。

【圖文簡介】

圖1

（a）磁場輔助氣噴自組裝制備方法示意圖；（b）磁場輔助氣噴自組裝過程及液體微針在5種狀態（t≈0.1s，1s，5s，10s，15s）下的磁場分布；（c）氣噴自組裝過程中微針的平均高度、中徑和密度；（d）仿真計算了在300 mT外磁場和0.2m/s初始噴霧速度下，磁性微液滴的運動軌跡和微針的生長情況。?

圖2

（a）基于磁性微針陣列的摩擦-電磁復合發電機結構示意圖；（b1）TEHG照片；（b2）微針陣列的掃描電鏡圖像。（b3）柔性線圈照片。（c）TEHG工作原理示意圖。?

圖3

（a1）壓縮過程中彎曲至不同角度的微針；（a2）COMSOL分析了TEG的電勢分布；（a3-a4）COMSOL分析了EMG的磁場分布（正視圖和俯視圖）；（b1）在復合發電機上施加外力時電極位移變化；（b2）仿真結算的TEG在兩個電極上的電勢；（b3）COMSOL仿真計算的穿過銅線圈的平均磁通密度；（b4）COMSOL仿真計算EMG部分的短路電流Isc。?

圖4

（a,b）TEG的Voc和Isc；（c,d）EMG的Voc和Isc；（e-h）輸出電壓、電流和功率密度隨負載電阻的變化；（i-l）外力幅值和頻率對TEG的Voc（i,j）和EMG的Isc（k,l）的影響。

圖5

（a）TEHG在3000次壓縮-釋放循環中的電輸出性能和（b）機械性能；（c）經過3000次壓縮-釋放操作后的微針陣列的掃描電鏡圖像；（d）將TEHG集成到鞋內進行走路試驗；（e-f） 步行試驗中記錄的TEG的Voc和EMG的Isc；（g）將TEHG集成到鞋內進行跑步試驗；（h）試驗中記錄的TEG的Voc和EMG的Isc；（j）將TEHG固定在手臂內側上；（k-l）手臂運動時記錄的TEG的Voc和EMG的Isc。

【小結】

作者開發了一種新型的基于磁性微針陣列的柔性摩擦-電磁復合發電機，用于監測人體運動。首次提出了磁場輔助氣噴自組裝的方法，并將制造出的磁性微針陣列應用于摩擦-電磁復合發電機。TEHG中的磁性微針陣列作為一個關鍵的結構，一方面作為摩擦發電機（TEG）的摩擦材料，產生摩擦電荷；另一方面作為電磁發電機（EMG）的可彎曲磁體，提供變化的磁場，產生電磁信號。TEG利用微針的彎曲-摩擦-恢復的特性產生摩擦電，EMG利用磁化微針的旋轉產生感應電動勢。在30 N和1 Hz的壓縮-釋放過程中，TEG能輸出10 V的開路電壓，EMG能產生80 μA的短路電流。研究證明，將基于MA的TEHG集成在鞋墊中、附著在肘部，可以作為自供電傳感器監測人體運動。考慮到其具有全柔性、體積小、質量輕等獨特的優點，此種基于磁性微針陣列的摩擦-電磁復合發電機在可穿戴電子設備、自供電傳感器和醫療監護系統中具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：A Magnetized Microneedle-Array Based Flexible Triboelectric-Electromagnetic Hybrid?Generator for Human Motion Monitoring. Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104415.

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